第三章第三章 地理信息系统数据库地理信息系统数据库内容概览内容概览第一节第一节 GISGIS数据库概述数据库概述第二节第二节 数据库基本原理数据库基本原理第三节第三节 GISGIS数据库的形成和发展数据库的形成和发展GISGIS数据库定义数据库定义定义定义以特定的数据模型和信息结构来表达、存储和管理某类地理空间信息，以满足不同用户对空间信息需求的数据库。几个概念几个概念地理空间空间信息数据模型和信息结构GISGIS数据库定义数据库定义几个概念几个概念地理空间（Geographic Space ）地理空间是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。 地理信息系统中的空间概念常用“地理空间”（Geospatial）来表述。GISGIS数据库定义数据库定义几个概念几个概念空间信息指在信息世界中的地理空间信息。这是对现实世界的抽象，即从现实世界到信息世界。GISGIS数据库定义数据库定义几个概念几个概念数据模型和信息结构在计算机世界中，通过抽象、建模形成不同种类数据的表达形式通过GIS数据库的数据模型对空间数据进行表达、存储和管理是对现实世界的抽象，从现实世界到信息世界GISGIS数据库特征数据库特征1 1、空间特征、空间特征描述了空间物体的位置，形态，以及空间拓扑关系。2 2、抽象特征、抽象特征抽象真实世界的综合特征。3 3、空间关系特征、空间关系特征空间拓扑特征。4 4、多尺度与多态性、多尺度与多态性不同比例尺和精度下，表现为不同形态。5 5、非结构化特征、非结构化特征空间对象的数据是变长的。6 6、分类编码特征、分类编码特征空间对象按照某种标准进行分类编码。7 7、海量特征、海量特征数据量比一般数据库大得多，具有数据海量的特点。内容概览内容概览第一节第一节 GISGIS数据库概述数据库概述第二节第二节 数据库基本原理数据库基本原理第三节第三节 GISGIS数据库的形成和发展数据库的形成和发展 数据库系统概述数据库系统概述 数据库系统的几个概念数据库系统的几个概念 数据与信息数据与信息1) 数据是具体的，信息是抽象的2) 数据不一定有用，但信息是有用的数据3) 信息是各种数据所包括的意义，数据是载荷信息的物理符号4) 可用不同的数据形式来表现同一数据，信息不随数据的表现形式而改变5) 通常可混用(1) 信息资源数据资源(2) 信息采集数据采集(3) 信息处理数据处理 数据库系统概述数据库系统概述数据库系统的几个概念数据库系统的几个概念 数据处理（信息处理）数据处理（信息处理）1) 利用计算机对各种形式的数据进行处理2) 从大量的原始数据中抽取有价值的信息，作为行为和决策的依据3) 包括以下的数据操作(1) 采集(2) 整理、编码(3) 输入(4) 存储(5) 加工/计算、分类、检索(6) 传输、输出数据库系统概述数据库系统概述 数据库系统的几个概念数据库系统的几个概念 数据库数据库1) database (DB)2) 长期储存在计算机中的、有组织的、可共享的数据的集合3) 特点(1) 按照一定的数据模型组织(2) 独立性、易扩展性(3) 较小的冗余度(4) 可共享数据库系统概述数据库系统概述数据库系统的几个概念数据库系统的几个概念 数据库管理系统数据库管理系统1) Database Management System (DBMS)2) 管理数据库的软件（数据管理软件）3) 用于建立、运用和维护数据库4) 位于用户和操作系统之间数据库系统概述数据库系统概述数据库系统的几个概念数据库系统的几个概念 数据库系统数据库系统1) database system (DBS)2) 一般由数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员构成3) 计算机系统数据库4) 三要素(1) DB(2) DBMS(3) Users数据库系统概述数据库系统概述数据库系统的几个概念数据库系统的几个概念 用户用户1) 终端用户（最终用户、End User）(1) 非计算机专业人员(2) 交互式操作2) 应用程序员（Application Programmer）(1) 负责设计和编制应用程序(2) 通过应用程序存取和维护数据库(3) 为终端用户准备应用程序(4) 是数据库管理员（DBA）手下的工作人员数据库系统的几个概念数据库系统的几个概念 用户用户3) 数据库管理员（Database Administrator, DBA）(1) 全面负责数据库系统的管理、维护、正常使用(2) 主要职责1. 参与数据库设计的全过程2. 决定数据库的存储与读取策略3. 定义数据的安全性和完整性4. 监督控制数据库的使用和运行，及时处理运行程序中出现的问题5. 改进和重新构造数据库系统相互有关联关系的数据数据的集合DBDBMS管理数据库的系统软件系统软件DBA完成某一功能的应用程序1应用程序2应用程序nDBAP 1DBAP 2DBAP nComputer System数据库系统概述数据库系统概述数据库系统的构成数据库系统的构成数据库技术的产生和发展数据库技术的产生和发展数据管理技术的发展（三个阶段）数据管理技术的发展（三个阶段）1、人工管理阶段、人工管理阶段 （计算机产生（计算机产生-20世纪世纪50年代）主要用于科学计算。年代）主要用于科学计算。特点：特点：（1）数据不保存；）数据不保存； （2）没有对数据进行管理的软件系统；）没有对数据进行管理的软件系统； （3）数据不同享；）数据不同享； （4）一组数据对应于一个程序，数据是面向应用的。）一组数据对应于一个程序，数据是面向应用的。数据库技术的产生和发展数据库技术的产生和发展数据管理技术的发展（三个阶段）数据管理技术的发展（三个阶段）2、文件系统阶段、文件系统阶段 （ 20世纪世纪50年代后期年代后期-60年代中期）不仅用于科学计算，年代中期）不仅用于科学计算，还大量用于管理数据。还大量用于管理数据。 特点：特点：（1）数据需要长期保存在外存上供反复使用；）数据需要长期保存在外存上供反复使用； （2）程序之间有了一定的独立性；）程序之间有了一定的独立性； （3）文件的形式已经多样化；）文件的形式已经多样化； （4）数据的存取基本上以记录为单位。）数据的存取基本上以记录为单位。在1956年9月13日，第一块硬盘诞生时 数据库技术的产生和发展数据库技术的产生和发展数据管理技术的发展（三个阶段）数据管理技术的发展（三个阶段）3、数据库系统阶段、数据库系统阶段 （ 20世纪世纪60年代后期）年代后期）特点：特点： （1）采用复杂的结构化的数据模型）采用复杂的结构化的数据模型（2）较高的数据独立性（物理，逻辑）较高的数据独立性（物理，逻辑）（3）最低的冗余度）最低的冗余度（4）数据控制功能）数据控制功能数据管理三个阶段的比较数据管理三个阶段的比较比较比较人工管理人工管理文件系统文件系统数据库系统数据库系统应用范围应用范围科学计算科学计算科学计算、管理科学计算、管理数据处理数据处理硬件硬件无直接存取存储设备无直接存取存储设备磁盘、磁鼓磁盘、磁鼓 大容量磁盘大容量磁盘 软件软件没有操作系统没有操作系统有文件系统有文件系统有数据库管理系统有数据库管理系统处理方式处理方式批处理批处理联机实时处理联机实时处理批处理批处理联机实时处理联机实时处理, ,分布处理批处理分布处理批处理 数据的管理者数据的管理者人人文件系统文件系统数据库管理系统数据库管理系统数据面向的对数据面向的对象象某一应用程序某一应用程序某一应用程序某一应用程序整个应用系统整个应用系统数据的共享程数据的共享程度度无共享无共享, ,冗余度极大冗余度极大共享性差共享性差, ,冗余度冗余度大大共享性高，冗余度小共享性高，冗余度小数据的独立性数据的独立性不独立，完全依赖于不独立，完全依赖于程序程序独立性差独立性差高度的物理独立性和逻辑独高度的物理独立性和逻辑独立性立性数据的结构化数据的结构化无结构无结构记录内有结构，记录内有结构，整体无结构整体无结构整体结构化，用数据模型描整体结构化，用数据模型描述述数据控制能力数据控制能力应用程序自己控制应用程序自己控制应用程序自己控应用程序自己控制制由数据库管理系统提供数据由数据库管理系统提供数据安全完整性、并发控制和恢安全完整性、并发控制和恢复能力复能力数据模型数据模型数据模型的基本概念数据模型的基本概念1、什么是数据模型计算机无法直接处理现实事物在现实世界中事物之间是存在联系的。例如，学校教学系统中的教师、学生、课程、成绩等都是相互关联的需要将现实事物转化为计算机可以理解的数据，这需要一个工具。在数据库中用“数据模型”这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。通常把表示客观事物及其联系的数据及结构称为通常把表示客观事物及其联系的数据及结构称为数据模型数据模型数据模型数据模型的基本概念数据模型的基本概念2、对数据模型的要求（1）比较真实地模拟现实世界。（2）容易被人类理解。（人的角度）（3）便于在计算机上实现。（计算机的角度） 数据模型是数据库系统的核心和基础。数据模型是数据库系统的核心和基础。一种数据模一种数据模型很难全面满足这三方面要求，在实际系统中针对不同型很难全面满足这三方面要求，在实际系统中针对不同的使用对象和目的，可采用不同的数据模型。的使用对象和目的，可采用不同的数据模型。 数据模型数据模型逻辑模型分类逻辑模型分类1、层次模型层次模型的结构是树形结构。树的节(结)点是实体，树的枝是联系，从上到下为一对多的联系。每个实体由“根”开始，沿着不同的分支放在不同的层次上。如果不再向下分支，则此分支中最后的节点称为“叶”。支持层次模型的数据库管理系统称为层次数据库管理系统，其中的数据库称为层次数据库。 数据模型数据模型逻辑模型分类逻辑模型分类1、层次模型图为某学院的机构设置，图为某学院的机构设置，“根根”节点是学院，节点是学院，“叶叶”节点是各教研室节点是各教研室学学 院院计算机系计算机系自控系自控系数学系数学系外语系外语系软件教研室软件教研室硬件教研室硬件教研室共外教研室共外教研室专业教研室专业教研室数据模型数据模型逻辑模型分类逻辑模型分类1、层次模型 优点：（1）数据模型简单（2）若实体间的关系固定，性能很优越缺点：（1）描述现实世界的非层次性很笨拙（2）插入和删除操作限制较多数据模型数据模型逻辑模型分类逻辑模型分类2、网状模型用网状结构表示实体及其之间的联系的模型。在网状模型中，每一个节点代表一个实体，并且允许节点有多于一个“父”节点。网状模型代表了多对多的联系类型。 专业系专业系教研室教研室课程课程学生学生教员教员任课任课选课选课数据模型数据模型逻辑模型分类逻辑模型分类2、网状模型 优点：（1）能够直接描述现实世界（2）存取效率较高缺点：（1）数据描述语言极其复杂（2）数据独立性差数据模型数据模型逻辑模型分类逻辑模型分类3、关系模型关系模型是以数学理论为基础构造的数据模型。它用二维表格来表示实体集中实体之间的联系。关系模型有很强的数据表达能力，结构单一，数据操作方便，最易被用户接受。以关系模型建立的关系数据库是目前应用最广泛的数据库。如Oracle、Sybase、SQL Server、Access、VFP等。 数据模型数据模型逻辑模型分类逻辑模型分类3、关系模型关系模型的一些术语（1）关系（Relation）：一个关系通常指一张表。（2）元组（Tuple）：表中的一个行。（3）属性（Attribute）：表中的一列。（4）码（Key）：可以唯一确定一个元组的属性组。（5）域（Domain）：属性的取值范围。（6）关系模式：对关系的描述，一般表述为： 关系名（属性1，属性2，属性n） 例如：学生（学号，姓名，性别，年龄，专业） 课程（课程号，课程名称，学分）数据模型数据模型逻辑模型分类逻辑模型分类3、关系模型 优点：（1）有严格的数学概念作基础（2）关系模型的概念单一（3）存取路径对用户透明缺点：（1）查询效率不高关系数据模型关系数据模型学号姓名性别年龄籍贯99019901李勇李勇男男2020江苏江苏99029902刘晨刘晨女女1919山东山东99039903王明王明女女2020北京北京99999999张立张立男男1818陕西陕西学生学籍记录表学生学籍记录表学生学籍记录表学生学籍记录表关系名关系名关关系系元组元组(行行)属性属性(列列)主码主码男女域域分量分量关系模式：学生（学生（学生（学生（学号学号学号学号、姓名、性别、年龄、籍贯）、姓名、性别、年龄、籍贯）、姓名、性别、年龄、籍贯）、姓名、性别、年龄、籍贯）属性名属性名内容概览内容概览第一节第一节 GISGIS数据库概述数据库概述第二节第二节 数据库基本原理数据库基本原理第三节第三节 GISGIS数据库的形成和发展数据库的形成和发展GISGIS数据库计算平台的发展数据库计算平台的发展集中式集中式客户客户/ /服务器模式服务器模式分布式分布式主机主机终端终端终端终端终端终端服务器服务器客户端客户端客户端客户端客户端客户端服务器服务器客户端客户端客户端客户端客户端客户端服务器服务器服务器服务器空间数据模型空间数据模型栅格模型栅格模型栅格数据结构实际上就是象元阵列，即象元按矩阵形式的集合，栅格中的每个象元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。栅格数据中的实体可分为点实体、线实体和面实体。 空间数据模型空间数据模型矢量模型矢量模型用一系列有序的x、y坐标对来表示点、线、面等地理实体的空间位置。可以精确定义地理实体的位置、长度、面积等。相对于栅格结构数据精度高、存储空间小。是GIS软件的主流格式X,YX,YX,YX,Y管理模式的发展管理模式的发展文件管理文件管理文件和数据库混合管理文件和数据库混合管理全关系型数据库管理全关系型数据库管理对象对象关系数据库管理系统关系数据库管理系统面向对象数据库管理面向对象数据库管理管理模式的发展管理模式的发展研究内容研究内容储存和管理地理空间数据（空间数据和属性数据）地理空间数据分类地理空间数据分类空间数据。和空间位置、空间关系有关的数据。 属性数据。地理元素中非空间的属性信息 。举例举例房籍管理信息系统 。空间数据包括了土地、房屋的地理坐标，及地上建筑物的分布、方位、朝向等；属性数据则指土地利用状况、土地、房屋有关用途、性质，以及房屋销售进度等。 管理模式的发展管理模式的发展文件管理文件管理用文件系统管理空间和属性数据。例如：ArcGIS的Shape file不同的层以及同一层中不同图形要素类型（点、线、面）,将产生不同的Shape文件，同时对每一个要素自动产生一个特征码（FeatureID）。图层图层i图层图层j点文件点文件i线文件线文件i面文件面文件i点文件点文件j线文件线文件j面文件面文件jShape文件管理模式的发展管理模式的发展文件和数据库混合管理文件和数据库混合管理属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。空间数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。GIS软件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。管理模式的发展管理模式的发展文件和数据库混合管理文件和数据库混合管理几何数据属性数据ID数据文件数据库早期图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库管理模式的发展管理模式的发展全关系型数据库管理全关系型数据库管理属性数据、几何数据同时采用关系式数据库进行管理空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快属于间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作GIS软件：System9，Small World、Geovision等管理模式的发展管理模式的发展GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）RDBMS空间数据库关系表二进制块全关系型数据库管理全关系型数据库管理管理模式的发展管理模式的发展对象对象关系型数据库管理关系型数据库管理在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，对空间对象的数据结构进行了预先定义，定义了操作点、线、面等空间对象的API函数。解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高。用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，空间数据结构不能任意定义。GIS软件：TIGER，Geo+、Geo Tropics等管理模式的发展管理模式的发展对象对象关系型数据库管理关系型数据库管理GIS界面空间数据处理RDBMS空间数据库扩充实体类型（点、线、面、圆等）管理模式的发展管理模式的发展面向对象数据库管理面向对象数据库管理面向对象（Object-Oriented，OO）的概念起源于面向对象的编程语言。引入对象、对象类、方法、实例等概念和术语，采用动态联编和单继承性机制。基本出发点是以对象作为最基本的元素，尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。 管理模式的发展管理模式的发展面向对象数据库基本概念面向对象数据库基本概念对象：是对客观世界实体的抽象描述，由信息（数据）和对数据的操作组合而成。类：是对多个相似对象共同特性的描述。消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。分公有消息和私有消息。 方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。实例：是由一特定类描述的具体对象。基类：是相似的类的共同属性的抽象，基类的实例是类，类的实例是对象。管理模式的发展管理模式的发展面向对象数据库几何抽象模型面向对象数据库几何抽象模型GISGIS中的各种地物，在几何性质方面大致表现为四种类型，即点状地中的各种地物，在几何性质方面大致表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为种类型可以作为GISGIS中各种地物类型的超类。中各种地物类型的超类。